盾構下穿明渠及排水倒虹吸結構注漿控制分析

毛榮吉，王永靜

（1.濟南軌道交通集團建設投資有限公司，山東濟南 250014；2.山東軌道交通工程咨詢有限公司，山東濟南 250014）

1 工程背景

1.1 工程概況

1.1.1 區間隧道

本文選用濟南地鐵3號線向陽站—臨港站區間下穿某明渠及排水倒虹吸結構作為研究對象，采用盾構法施工，左右線間距為12.5～27.8m，區間隧道覆土厚度為10～23m。盾構區間開挖直徑為6.68m，管片外徑6.4m，內徑5.8m，厚度300mm，管節長度1.2m，混凝土等級為C50，管片外壁與盾殼之間采用注漿填充，盾構區間采用約2.8%坡度下穿明渠及排水倒虹吸結構。

1.1.2 明渠結構

穿越處明渠設計渠底縱比降1/18000，渠底高程17.02m，設計渠底寬13.5m，設計水深3m；河堤坡度為1∶2.25，明渠堤頂寬約6m，堤頂高程23.46m。該明渠為全斷面防滲襯砌，襯砌結構為10cm厚C20全斷面現澆高性能混凝土面板。區間隧道與明渠工程交叉，夾角約89°，隧道頂部與明渠豎向最小凈距為11.19m。

1.1.3 排水倒虹吸結構

倒虹吸結構底高程為12.67m，高0.5m，該結構為厚45cm的全斷面C30現澆鋼筋混凝土結構，設計流量為7.3m3/s。區間隧道位于排水倒虹吸結構正下方，與該結構平行走向，隧道頂部與該結構豎向最小凈距為6.9m。相對位置如圖1、圖2所示。

圖1 相對位置縱向關系圖

圖2 相對位置橫向關系圖

1.2 地質水文

根據地勘資料，下穿該明渠段的土層主要為⑨1、⑩1粉質黏土層、夾雜粉土層和混姜石粉質黏土層，定為Ι級環境風險工程，該區段黏土層均呈可塑～硬塑狀態，強度相對較高，黏聚力強，該黏性土層中存在豎向不規則裂隙及連通性大孔隙，滲透性較強。地下水類型為第四系松散孔隙水，穩定水位埋深1.7～8m，易黏著刀盤面板形成泥餅。

2 施工風險分析

2.1 隧道防水防滲

盾構隧道穿越河底時，常出現管片拼裝錯臺、管片開裂、管片的接縫處滲漏等，進而導致區間隧道內滲水、漏水、突涌等問題[1-2]。

2.2 地面沉降、坍塌

土倉壓力過小、開挖后注漿不及時、超挖等原因均能引起較大的地表沉降，嚴重時造成坍塌，引起水流倒灌，而土倉壓力過大，可能引起地表的隆起、擊穿河底冒漿等問題。

2.3 盾構機施工噴涌

該區間地下水主要類型均為第四系松散孔隙水，水位較深，且土層中分布有大量導水裂隙，具有一定的滲透性，若注漿參數欠佳、操作控制不當，容易引起螺旋輸送機的噴涌。

3 注漿控制措施

3.1 同步注漿

3.1.1 同步注漿配合比及主要力學指標

（1）同步注漿采用水泥砂漿，配合比為：水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶砂∶水=4∶10∶3∶3∶9。

（2）初凝時間：4～6h，可對脫出盾尾的管片開孔檢查，結合地層條件和掘進情況，現場試驗加促凝劑及變更配合比來調整初凝時間。

（3）固結體強度：≥0.2MPa，28d后，≥2.5MPa；漿液結石率：≥95%，即固結收縮率＜5%；漿液稠度：8～12cm；漿液穩定性：傾析率小于5%。

3.1.2 注漿過程控制

在盾構機向前推進形成盾尾空隙時，同步采用盾尾的雙泵四管路（左上、左下、右上、右下）注漿管，對稱、均勻、飽滿注漿，速度應與掘進速度相匹配，按盾構完成一環掘進的時間內完成當環注漿量來確定其平均注漿速度，保證均勻注漿。

考慮推進過程中的糾偏、跑漿和注漿材料的收縮等因素，注漿量取盾尾控制空隙理論體積的150%～200%倍，即每環（1.2m）壁后注漿量為5.5～6.5m3，在實際過程中做到盡量填補而不宜劈裂。

3.1.3 注漿結束標準

采用注漿壓力和注漿量雙指標控制，即當注漿壓力達到設定值，注漿量達到設計值的90%以上時，即可認為滿足質量要求。

3.2 二次注漿

如圖3所示，盾構穿越過程中，在1號臺車和脫出盾尾第5環范圍內（該范圍內共13環管片），每隔3環管片通過管片中部的注漿孔進行二次補注漿，補充同步注漿未填充部分和體積減小部分。另外，管片脫出盾尾后每5環施作止水環箍，一方面阻斷后方地下水，減輕隧道的防水壓力，提高止水效果，穩固管片；另一方面下坡段時，防止后方來水進入土倉[3-4]。

圖3 注漿位置示意圖

二次注漿分為注漿階段和封口階段，注漿階段采用單液漿即水泥漿，水灰比為1∶1；封口階段采用雙液漿（即水泥漿—水玻璃漿液），水∶水玻璃=3∶1（重量比）；水泥漿∶水灰比=1∶1（重量比），水泥漿∶水玻璃=1∶1（體積比），注漿壓力為2.5～3.5bar，嚴格控制注漿壓力和注漿量，防止將管片擠出錯臺。

3.3 深層徑向注漿

該穿越區段中，采取全斷面深層徑向注漿。下穿區段內每環管片在原注漿孔基礎上又增設10個徑向注漿孔（共16孔），注漿鋼管長度約3.2m，直徑為3cm。漿液主要采用水泥漿，水灰比為1∶1，拱部157.5°范圍內注漿長度為2m,注漿壓力控制為0.1MPa,其余范圍注漿長度為3m,注漿壓力控制在0.2～0.3MPa，確保有效擴散半徑大于0.5m，見圖4。

圖4 深孔注漿示意圖

4 監測反饋

4.1 監測點布設

根據《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB 50911—2013）規定，結合設計文件及下穿風險源影響評價報告的要求，明渠河堤沉降控制值10mm，倒虹吸結構豎向位移控制值為10mm，區間地表豎向位移控制值為30mm[5-6]。布設原則如表1所示，監測點布置如圖5所示。

表1 監測點布置原則

圖5 監測點平面布置

4.2 監測結果分析

本文擬選取區間斷面監測點DBC11-6、DBC11-7、DBC16-6、DBC16-7描述鄰近明渠的地表沉降；DBC12-6、DBC12-7、DBC15-6、DBC15-7描述明渠兩側河堤的沉降；選取JGC02-1～JGC02-5、JGC02-7、JGC02-8～JGC02-14描述排水倒虹吸結構沉降；匯總得到沉降監測時程曲線如圖6、圖7、圖8所示，圖6、圖7描述盾構機2月9日開始穿越明渠及倒虹吸結構的沉降時程曲線；圖8描述盾構機到達明渠對岸后，2月19日繼續穿越倒虹吸結構的沉降時程曲線。對圖6、7、8分析得出：

圖6 明渠河堤及表面沉降監測時程曲線

圖7 倒虹吸結構沉降監測時程曲線

圖8 倒虹吸結構沉降監測時程曲線

第一，盾構機穿越時產生的地表沉降、河堤沉降和倒虹吸結構沉降發展速度最快，這是因為一方面盾構機外殼直徑比管片拼裝成的隧道結構外徑大，盾殼與土層之間的空隙引起地層應力釋放，另一方面，漿液不能及時凝固，且部分漿液在地層中擴散，使得空隙填充不密實。

第二，盾構穿越后，沉降數據仍有不同程度的增加，但慢慢趨于平穩，其中河堤及地表沉降最大值為9mm，排水倒虹吸結構的沉降最大值為9.5mm，均能滿足控制要求。

第三，盾構機距離明渠越近，地表沉降、河堤沉降、倒虹吸結構的沉降的累計值越大。

5 結論

第一，盾構穿越期間及時采用同步注漿、二次注漿及深層徑向注漿等洞內措施，有效減小了沉降。結果顯示，河堤及地面最大沉降值為9mm，倒虹吸結構最大沉降值為9.5mm，均滿足控制要求，可為類似工程提供有效施工經驗。第二，盾構穿越風險源的過程中沉降變化速度最快，穿越后，沉降數值逐漸趨于穩定，且越接近明渠，沉降累計值越大。第三，嚴格控制壁后注漿的壓力，建議提前在注漿系統中設置注漿壓力控制值，一旦壓力超限能自動停止，以免注漿壓力過高而頂破覆土。